Celle fotovoltaiche in GaAs: nuovo record di efficienza per il Fraunhofer

Nuovo record per i ricercatori del Fraunhofer ISE sul fronte dell’energia solare. E’ stata infatti raggiunta un’efficienza di conversione del 68,9% per una cella fotovoltaica in GaAs. Non parliamo dei tradizionali impianti ma di una particolare tecnologia per le cosiddette applicazioni Power-by-light. 

Come funzionano?

In questa nuova forma di trasferimento di energia, l'energia laser viene fornita attraverso l'aria o tramite una fibra ottica a una cella fotovoltaica le cui proprietà corrispondono alla potenza e alla lunghezza d'onda della luce laser monocromatica. Rispetto alla trasmissione di energia convenzionale tramite fili di rame, i sistemi di alimentazione tramite luce sono particolarmente utili per applicazioni che richiedono un'alimentazione elettrica isolata galvanicamente, una protezione da fulmini o esplosioni, una compatibilità elettromagnetica o una trasmissione di energia completamente wireless.

Il ruolo dell'arseniuro di gallio 

Si tratta della più alta efficienza raggiunta fino ad oggi per la conversione della luce in elettricità.

Un successo reso possibile da una speciale tecnologia a film sottile in cui gli strati di celle solari vengono prima ricoperti da substrato di arseniuro di gallio che viene poi rimosso. Uno specchio conduttivo  altamente riflettente viene poi applicato alla superficie posteriore della restante struttura a semiconduttore, che è spessa solo pochi micrometri.

"Questo approccio a film sottile ha due distinti vantaggi per l'efficienza", spiega il fisico Dr. Henning Helmers, capo del team di ricerca Fraunhofer ISE. “Prima di tutto, i fotoni sono intrappolati nella cella e l'assorbimento è massimizzato per le energie dei fotoni vicine al band gap, il che minimizza contemporaneamente le perdite di termalizzazione e trasmissione, rendendo la cella più efficiente. In secondo luogo, i fotoni ulteriormente generati internamente dalla ricombinazione radiativa vengono intrappolati ed efficacemente riciclati. In questo modo si aumenta anche la tensione allungando la vita effettiva del portatore di carica."

 Il gruppo di ricerca ha studiato celle fotovoltaiche a film sottile con riflettori sulla superficie posteriore in oro e una combinazione otticamente ottimizzata di ceramica e argento, con quest'ultima che ha mostrato i migliori risultati. Come assorbitore è stata sviluppata un'eterostruttura n-GaAs/p-AlGaAs, che mostra perdite di portatori di carica particolarmente basse dovute alla ricombinazione.

Applicazioni che vanno oltre la generazione di energia

"Questo è un risultato impressionante che mostra il potenziale del fotovoltaico per applicazioni industriali oltre la generazione di energia solare", afferma soddisfatto il prof. Andreas Bett, direttore dell'istituto di Fraunhofer ISE.

La trasmissione di energia ottica ha molteplici applicazioni. Alcuni esempi sono il monitoraggio strutturale delle turbine eoliche ; il monitoraggio di linee ad alta tensione, sensori di carburante nei serbatoi degli aerei o reti ottiche passive; la fornitura ottica di impianti dall'esterno del corpo; o un'alimentazione wireless per applicazioni nell'Internet delle cose.